Las baterías: las usamos a diario en todo el mundo, pero ¿cómo funcionan? Eso es lo que vamos a explicar en este artículo.
¿Qué es una batería?
Una batería es un dispositivo que se utiliza para almacenar energía para cuando la necesitamos. Las usamos para alimentar pequeños dispositivos eléctricos, como linternas. La energía se almacena en forma de energía química y esta puede transformarse en energía eléctrica cuando la necesitamos. Veremos cómo funciona esto un poco más adelante en el artículo.
Si observamos un circuito sencillo de batería y lámpara. Para que la lámpara se ilumine, necesitamos que los electrones fluyan a través de ella. La batería proporcionará la fuerza impulsora que permite que los electrones fluyan a través de la lámpara. Solo tenemos que conectar la lámpara entre los polos positivo y negativo de la batería para completar el circuito. Sin embargo, la batería solo puede impulsar los electrones durante un tiempo determinado; este tiempo depende de cuánta energía hay almacenada en la batería y cuánta demanda la carga.
Cuando hablamos de carga en un circuito eléctrico, nos referimos a cualquier componente que requiera electricidad para funcionar, como resistencias, LED, motores de corriente continua o incluso placas de circuitos completas. Algunas pilas se pueden recargar y esto se indica claramente en el lateral, pero las pilas alcalinas domésticas típicas no se pueden recargar, por lo que simplemente se desechan cuando se agota su energía. Estas se pueden reciclar, así que asegúrate de desecharlas de forma responsable.
¿Qué hay dentro de una batería ?
Una pila alcalina típica de 1,5 V tiene un aspecto similar a este, aunque los colores pueden variar según el fabricante. Cuando observamos la batería , solemos ver una envoltura de plástico ajustada al exterior; esta aísla la batería, pero también nos proporciona información importante, como la capacidad y el voltaje, así como qué extremo es el positivo y cuál el negativo.
El extremo positivo se conoce como cátodo y presenta una superficie extendida que sobresale hacia fuera.
El extremo negativo es plano y se conoce como ánodo. Estos dos terminales están aislados eléctricamente entre sí.
Debajo de la envoltura encontramos la carcasa principal, que suele estar fabricada en acero con un recubrimiento de níquel. Esta mantiene todos los componentes internos en su sitio y evita que interactúen con elementos de la atmósfera, como el aire y el agua.
Dentro de la carcasa hay múltiples capas de diferentes materiales, seleccionados especialmente porque sus reacciones químicas generan determinados niveles de voltaje y corriente. La primera capa es el cátodo, una mezcla de óxido de manganeso (MnO₂) y grafito. Este material está en contacto con el metal del terminal positivo. El grafito se añade para mejorar la conductividad de la mezcla y aumentar la densidad energética.
A continuación, encontramos una capa de material poroso, normalmente un papel fibroso que forma una barrera. La barrera evita que los materiales del ánodo y del cátodo entren en contacto directo entre sí, lo que ayuda a que la batería dure más tiempo cuando no se utiliza. Si la barrera no estuviera ahí, la batería entraría en cortocircuito. Los orificios microscópicos del material permiten que los átomos de iones lo atraviesen. Analizaremos esto con más detalle más adelante en este artículo.
A continuación, durante el proceso de fabricación, se pulveriza un electrolito líquido de hidróxido de potasio sobre el separador, que lo empapa y es absorbido por el material del ánodo. El electrolito utilizado es alcalino, por lo que nos referimos a este tipo de batería como batería alcalina.
Al otro lado de la barrera se encuentra el ánodo, que es una pasta compuesta por polvo de zinc (Zn) y un agente gelificante. El agente gelificante mantiene el zinc en suspensión para que no se acumule en un solo punto. El zinc se presenta en forma de polvo para aumentar la superficie del material, lo que reduce la resistencia interna y, por lo tanto, mejora la transferencia de electrones.
La cápsula de acero está sellada con una tapa de plástico de nailon. A continuación, se inserta un pin de latón en el zinc y se coloca una tapa de acero sobre él. Esto nos da el terminal negativo. Obsérvese que los terminales positivo y negativo están separados por la tapa de plástico. Esto garantiza que estén aislados eléctricamente entre sí; de lo contrario, los electrones podrían fluir a través de la carcasa para llegar al terminal positivo y provocar un cortocircuito en la pila.
Fundamentos de la electricidad
Necesitamos comprender algunos fundamentos del funcionamiento de la electricidad antes de poder entender la batería.
En primer lugar, la electricidad es el flujo de electrones en un circuito. Las baterías pueden proporcionar la fuerza impulsora que mueve a los electrones a través del circuito. Los electrones quieren volver a su fuente y tomarán inmediatamente cualquier camino posible para lograrlo. Al colocar objetos como lámparas en el camino de los electrones, podemos obligarlos a realizar un trabajo para nosotros, como iluminar la lámpara.
Fundamentos de la electricidad
Las pilas producen electricidad de CC o corriente continua. Esto significa que los electrones fluyen en una sola dirección, de negativo a positivo. Un osciloscopio mostrará la CC como una línea plana en la región positiva. Puedes imaginar la electricidad de CC como un río que fluye en una sola dirección.
Corriente continua
En estas animaciones mostramos el flujo de electrones, que va de negativo a positivo, pero quizá estés acostumbrado a ver la corriente convencional, que va de positivo a negativo. El flujo de electrones es lo que realmente ocurre, pero la corriente convencional fue la teoría original que todavía se utiliza y se enseña ampliamente hoy en día. Solo ten en cuenta las dos y cuál estamos utilizando.
Corriente alterna
La electricidad que sale de los enchufes de tus casas es corriente alterna (CA), que es diferente de la electricidad que proporciona una batería. Con la corriente alterna, los electrones fluyen hacia delante y hacia atrás continuamente, de forma muy similar a la marea del mar, que fluye hacia dentro y hacia fuera entre la pleamar y la bajamar. Un osciloscopio mostrará la CA como una onda que recorre tanto la región positiva como la negativa, ya que fluye hacia delante (lo que es positivo) y hacia atrás (lo que es negativo).
Corriente alterna
Si observamos un trozo de cable de cobre, en su interior encontramos átomos de cobre. En el centro de un átomo hay protones y neutrones; los protones tienen carga positiva y los neutrones se consideran neutros, por lo que no tienen carga. Orbitaron alrededor de ellos los electrones, que tienen carga negativa.
Cable de cobre
Algunos de estos electrones son libres de desplazarse a otros átomos. Se moverán de forma natural entre otros átomos, pero en direcciones aleatorias, lo cual no nos sirve de nada. Necesitamos que muchos electrones fluyan en la misma dirección y podemos lograrlo proporcionando una diferencia de tensión desde una fuente de alimentación, como una batería.
Cuando hablamos de átomos, a menudo oirás el término «ión». Un ion es simplemente un átomo que tiene una cantidad desigual de electrones o protones. Un átomo tiene carga neutra cuando tiene el mismo número de protones y electrones, ya que los protones tienen carga positiva y los electrones tienen carga negativa, por lo que se equilibran. Si el átomo tiene más electrones que protones, entonces es un ion negativo. Si el átomo tiene más protones que electrones, es un ion positivo.
Ión
El voltaje es como la presión en un depósito de agua. Para saber cuánta presión tenemos, debemos comparar la presión dentro de la tubería con la presión exterior, y para ello utilizamos un manómetro. En lo que respecta al voltaje, utilizamos un voltímetro para medir la diferencia de voltaje entre dos puntos distintos. Si medimos la diferencia a través de la batería, obtenemos 1,5 V, pero si medimos el mismo extremo, obtenemos 0 V porque es el mismo extremo, por lo que no hay diferencia.
El voltaje, como la presión
Algunos materiales permiten que los electrones pasen fácilmente; estos se conocen como conductores. El cobre y la mayoría de los metales son ejemplos de ello. Otros materiales no permiten que los electrones pasen; estos se conocen como aislantes. El caucho y la mayoría de los plásticos son ejemplos de ello. Por eso utilizamos cables de cobre con aislamiento de caucho. El cobre transporta la electricidad a donde la necesitamos y el caucho nos mantiene a salvo.
Al mezclar ciertos materiales podemos provocar reacciones químicas. Esto ocurre cuando los átomos de un material interactúan con los átomos de otro material y, durante esta interacción, los átomos se unen o se separan; los electrones también pueden ser capturados o liberados por los átomos durante la reacción química.
Bien, ahora que ya hemos visto lo básico, echemos un vistazo al interior de una pila y veamos cómo funciona.
¿Cómo funciona la pila alcalina?
Recuerda que hablamos brevemente de los átomos. Pues bien, todos estos materiales dentro de la pila están formados por muchos átomos diferentes muy apretados entre sí. Estos están representados por las bolas de colores; cada color representa un material diferente y, por lo tanto, un átomo diferente, en nuestro ejemplo muy simplificado. Cuando combinamos todos estos materiales dentro de la cápsula, se produce una pequeña reacción química en la que los átomos comienzan a interactuar entre sí.
Interior de la pila
En primer lugar, un átomo de ion hidróxido del electrolito se unirá a un átomo de zinc en la sección del ánodo. Esta reacción química se conoce como oxidación y creará hidróxido de zinc; al combinarse el zinc y el hidróxido, se liberarán electrones. Estos electrones ahora son libres de moverse y se acumularán en el pin de latón.
Al mismo tiempo, un átomo de óxido de manganeso se unirá a una molécula de agua del electrolito y a un electrón libre en una reacción química conocida como reducción. Durante la reacción química, el óxido de manganeso se transforma en una versión ligeramente diferente de óxido de manganeso; esta versión ya no necesita un átomo de ion hidróxido, por lo que lo expulsará al electrolito. El átomo de agua es sustituido por uno expulsado de la reacción de oxidación. El ion hidróxido queda ahora libre y puede atravesar el separador. Pero, por el momento, no lo hará porque no hay espacio para él en la sección del ánodo.
Acumulación de electrones
Como se puede ver, se produce una acumulación de electrones en el terminal negativo. Dado que los electrones tienen carga negativa y ahora hay más electrones en el terminal negativo que en el positivo, esto significa que existe una diferencia de tensión entre ambos extremos, y podemos medir esa diferencia con un multímetro.
Recuerde que solo podemos medir la diferencia de tensión entre dos puntos distintos. Si midiéramos el mismo punto, obtendríamos cero voltios, ya que no hay diferencia.
Los electrones se repelen entre sí y tienden a desplazarse hacia una región con menos electrones. La región positiva tiene menos electrones, por lo que intentarán llegar a este terminal. El separador impide que fluyan por el interior de la batería para llegar al terminal positivo.
Por lo tanto, los electrones necesitan otra ruta. Si les proporcionamos una vía externa, como un cable, los electrones fluirán a través de ella para llegar al terminal positivo. Al colocar objetos como una lámpara en el camino de los electrones, estos tendrán que atravesarla y así conseguimos que realicen un trabajo para nosotros, como iluminar una lámpara.
Iluminar una lámpara
Mientras tengamos un circuito completo entre los terminales, la reacción química seguirá produciéndose y los electrones fluirán desde el terminal negativo. Si retiramos el cable o cortamos el circuito, la reacción química se detiene.
Así que recapitulemos la reacción química que está ocurriendo. Los electrones libres entran en la batería a través del terminal positivo. Estos se combinan con el óxido de manganeso y una molécula de agua en el cátodo, lo que libera un ion hidróxido en el electrolito.
El ion hidróxido atraviesa el separador y se une a un átomo de zinc para crear hidróxido de zinc y, al hacerlo, se liberan electrones y una molécula de agua. Los electrones quieren llegar a una zona con menos electrones; el polo positivo tiene menos electrones, por lo que fluirán a través del cable para alcanzarlo, y así la reacción química se repite una y otra vez de forma continua.
Sin embargo, solo hay una cantidad determinada de material dentro de la batería, por lo que, con el tiempo, será cada vez más difícil que la reacción química continúe y, finalmente, dejarán de fluir electrones. La batería ya no servirá para nada y deberá desecharse.
Conectar pilas entre sí
Podemos usar una pila para alimentar algunos componentes, pero normalmente una sola pila no es suficiente para alimentar nuestros dispositivos; para ello, necesitamos combinar pilas.
Podemos conectar las pilas de dos maneras: en serie o en paralelo. Ya hemos tratado estos tipos de circuitos con gran detalle anteriormente; consulta «En serie» AQUÍ y «En paralelo» AQUÍ.
En serie
Cuando conectamos las pilas en serie, se suma el voltaje de cada una. Así, dos pilas de 1,5 V nos dan 3 V, y tres pilas nos dan 4,5 V, etc. El voltaje real puede variar ligeramente en la práctica. El voltaje aumenta porque cada pila potencia los electrones que entran en ella, por lo que obtenemos un voltaje más alto.
Paralelo
Si conectamos las pilas en paralelo, solo obtendremos 1,5 V independientemente de cuántas conectemos. Esto se debe a que el camino se une en la salida pero se divide en el retorno, por lo que los electrones no se impulsan. Sin embargo, este tipo de configuración podrá proporcionar más corriente y también tendrá una mayor capacidad, por lo que podremos alimentar algo durante más tiempo. Por ejemplo, si la batería tuviera una capacidad de 1200 mAh y colocáramos dos en paralelo, tendríamos una capacidad de 2400 mAh, pero un voltaje de 1,5 V. Si las conectáramos en serie, tendríamos una capacidad de 1200 mAh, pero un voltaje de 3 V.
Serie y paralelo
Capacidad
Utilizamos baterías para alimentar nuestros circuitos. Pero, ¿durante cuánto tiempo puede una batería alimentar nuestro circuito? Cuando miramos el embalaje o la ficha técnica de una batería, vemos un valor con las letras m.A.h junto a él. Se trata de la capacidad nominal en miliamperios-hora.
Ejemplo de batería
Por ejemplo, esta tiene una capacidad de 2500 mAh. Eso significa que, en teoría, podría proporcionar una corriente de 2500 miliamperios durante una hora, o 1250 mA durante 2 horas, o 20 mA durante 125 horas. Sin embargo, en la vida real probablemente no durará tanto tiempo porque la reacción química se ralentiza, por lo que la resistencia interna de la batería cambia a medida que se descarga. Hay muchos otros factores que influyen en esto, como la antigüedad y la temperatura.
No hay una forma precisa de calcular la duración de la batería; lo mejor es probarla. Sin embargo, podemos hacer una estimación de su duración con la siguiente fórmula:
Duración de la batería = Capacidad (mAh) / corriente del circuito (mA).
Hemos creado una sencilla calculadora gratuita en nuestra página web con la que puedes estimar el tiempo de funcionamiento de una batería, así como la capacidad necesaria. Échale un vistazo AQUÍ.
Por ejemplo, en este circuito calculamos una demanda de 19 mA y la batería tiene una capacidad de 3000 mAh. Así, 3000 / 19 nos da 157,9 horas. Sin embargo, este es realmente el mejor de los casos y, en la realidad, es casi seguro que no se alcanzará este valor.
Duración de la batería
Cómo medirla con un multímetro
Para medir el voltaje, simplemente seleccionamos la función de CC en nuestro multímetro y, a continuación, conectamos el cable rojo al terminal positivo y el cable negro al negativo. Esto nos dará una lectura del voltaje.
Capacidad nominal de la batería
Se puede ver que esta batería tiene una capacidad nominal de 1,5 V, pero cuando la probamos obtenemos 1,593 V
Batería agotada
Cuando la batería está agotada, obtenemos un voltaje más bajo; esta marca 1,07 V, por lo que está completamente agotada.
Sin embargo, a veces podríamos seguir obteniendo un voltaje de alrededor de 1,5 V incluso la batería esté agotada.
Para probar la batería a fondo, debemos someterla a una carga para comprobar si sigue siendo útil. Para ello necesitamos una resistencia.
Comprobación de la batería
Así que tomamos una resistencia de unos 100 ohmios; aunque no tiene por qué ser exactamente este valor, conectamos la resistencia entre nuestras dos sondas. En este caso, acabamos de utilizar unas pinzas cocodrilo para conectar la resistencia entre las sondas, de esta manera.
De esta forma, la corriente fluirá a través de la resistencia y podremos tomar una lectura de tensión mientras esto ocurre. Si la batería sigue en buen estado, el nivel de tensión solo descenderá ligeramente.
Ejemplo de batería
Por ejemplo, esta batería tiene una tensión nominal de 1,5 V; sin carga es de 1,593 V, y con la resistencia conectada es de 1,547 V, por lo que sigue en buen estado.
Ejemplo de batería
Esta batería también tiene una tensión nominal de 1,5 V; cuando la medimos sin carga, la lectura es exactamente de 1,5 V, pero cuando conectamos la resistencia, baja a 0,863 V, por lo que sabemos que se ha quedado sin carga.
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